FR2911600A1 - Steam reforming of hydrocarbons in a side-fired reforming furnace comprises setting the power of each burner so as to avoid hot spots on reforming the tubes - Google Patents

Steam reforming of hydrocarbons in a side-fired reforming furnace comprises setting the power of each burner so as to avoid hot spots on reforming the tubes Download PDF

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Abstract

Steam reforming of hydrocarbons in a reforming furnace comprising a combustion chamber with vertical refractory-lined walls (1, 2), a set of vertical reforming tubes (3) between the walls and burners mounted on the walls so as to produce radial flames parallel to the wall surface, where not all of the burners have the same power, comprises setting the power of each burner so as to avoid hot spots on the tubes.

Description

La présente invention concerne répartition de la puissance des brûleursThe present invention relates to the distribution of the power of the burners

dans un four de reformage à la vapeur d'hydrocarbures.  in a steam reforming furnace.

Le procédé de reformage à la vapeur d'hydrocarbures, couramment dénommé SMR ("steam methane reforming" en anglais), met en oeuvre une réaction de reformage qui produit de l'hydrogène et du monoxyde de carbone à partir d'hydrocarbures et de vapeur d'eau. Cette réaction nécessite un apport de chaleur important du fait de son caractère fortement endothermique. Dans ce but, les hydrocarbures et la vapeur d'eau sont introduits dans des tubes de reformage remplis de catalyseurs, lesdits tubes étant placés dans un four. En sortie des tubes, on obtient un mélange composé majoritairement d'H2 et CO, qui s'appelle syngas ou gaz de synthèse. Le four est composé d'une chambre de combustion en murs réfractaires et de brûleurs placés sur ces murs. Les brûleurs sont disposés de manière à transférer la chaleur de leur combustion au mélange d'hydrocarbures et de vapeur à travers la paroi des tubes, généralement par rayonnement de la chaleur de la flamme sur les parois réfractaires de la chambre de combustion. La présente invention concerne les fours dans lesquels les brûleurs sont disposés sur deux des murs verticaux de la chambre de combustion, lesdits murs se faisant face. Ce type de four à chauffage latéral (dénommé "side-fired" en anglais) se différencie des fours où les brûleurs sont montés dans la voûte du four (dits 'top-fired" en anglais). En général, pour éviter l'empiètement direct des flammes sur les tubes de reformage on utilise des brûleurs créant des flammes parallèles aux murs de réfractaires, les réfractaires permettant de renvoyer la chaleur des flammes vers les tubes par rayonnement. Les flammes les plus courantes sont des flammes en forme de rosace. Or, il a été observé que les gaz de combustion générés par ces flammes circulent dans l'enceinte de la chambre de combustion en créant des points chauds plus particulièrement sur certains tubes. Par point chaud, on entend une zone présentant une température supérieure de plusieurs degrés par rapport au reste du tube. Ces points chauds peuvent induire la casse prématurée des tubes ce qui entraîne l'arrêt immédiat du procédé de reformage pour changer le tube. Les tubes sont également soumis à des températures plus élevées dans leur partie basse en raison de la circulation des réactifs de reformage et du gaz de synthèse du haut vers le bas des tubes. Le cumul de points chauds sur un même tube conduit à une surchauffe progressive du gaz de synthèse au fur et à mesure de sa circulation dans la tube de reformage. Il s'en suit une élévation de la température du tube dans sa partie basse et un risque important de casse.  The steam reforming process, commonly known as SMR ("steam methane reforming"), employs a reforming reaction that produces hydrogen and carbon monoxide from hydrocarbons and steam. of water. This reaction requires a high heat input due to its highly endothermic nature. For this purpose, the hydrocarbons and the steam are introduced into reforming tubes filled with catalysts, said tubes being placed in an oven. At the outlet of the tubes, a mixture consisting mainly of H2 and CO is obtained, which is called syngas or syngas. The oven consists of a combustion chamber with refractory walls and burners placed on these walls. The burners are arranged to transfer the heat of their combustion to the hydrocarbon and vapor mixture through the wall of the tubes, generally by radiating heat from the flame on the refractory walls of the combustion chamber. The present invention relates to furnaces in which the burners are arranged on two of the vertical walls of the combustion chamber, said walls facing each other. This type of side-fired oven (called "side-fired" in English) differs from furnaces where the burners are mounted in the roof of the oven (so-called 'top-fired' in English) In general, to avoid encroachment Direct fire from the flames on the reforming tubes, using burners creating flames parallel to the refractory walls, refractories to return heat from the flames to the tubes by radiation.The most common flames are rosette-shaped flames. it has been observed that the combustion gases generated by these flames circulate in the chamber of the combustion chamber by creating hot spots, more particularly on certain tubes, By hot point, we mean an area having a temperature greater than several degrees relative to the rest of the tube These hot spots can induce the premature breakage of the tubes which leads to the immediate stop of the reforming process to change the tube The tubes are also subjected to higher temperatures in their lower part due to the circulation of the reforming reagents and the synthesis gas from the top to the bottom of the tubes. The accumulation of hot spots on the same tube leads to a progressive overheating of the synthesis gas as it circulates in the reforming tube. It follows a rise in the temperature of the tube in its lower part and a significant risk of breakage.

En outre, du fait de courants de circulation des gaz de combustion, il a été également observé que certains tubes reçoivent une puissance inférieure aux autres et sont donc sous-exploités : la capacité de production du four n'est donc pas optimale.  In addition, because of flue gas circulation currents, it has also been observed that some tubes receive a lower power than the others and are therefore under-exploited: the production capacity of the furnace is therefore not optimal.

Un but de la présente invention est de proposer un procédé de reformage dans un four à chauffage latéral permettant de limiter les points chauds sur les mêmes tubes. Un autre but de la présente invention est de proposer un procédé de reformage dans un four de reformage à chauffage latéral permettant d'optimiser le chauffage des tubes et la production du four.  An object of the present invention is to provide a reforming process in a lateral heating furnace to limit hot spots on the same tubes. Another object of the present invention is to provide a reforming process in a reforming furnace with lateral heating to optimize the heating of the tubes and the production of the furnace.

Dans ce but, l'invention concerne un procédé de reformage à la vapeur d'hydrocarbures dans un four de reformage comprenant : - une chambre de combustion présentant au moins deux murs verticaux en matière réfractaire se faisant face, - au moins une rangée de tubes de reformage alignés verticalement à mi-distance entre les deux murs verticaux en matière réfractaire se faisant face, - des brûleurs disposés sur chacun des deux murs verticaux en matière réfractaire se faisant face, lesdits brûleurs étant aptes à produire des flammes radiales parallèles à la surface du mur, et dans lequel tous les brûleurs ne présentent pas la même puissance et en ce qu'on fixe la puissance de chaque brûleur de manière à éviter la présence de points chauds sur les tubes. L'invention concerne donc un four de reformage à chauffage latéral. Les tubes de reformage sont alignés verticalement à mi-distance entre deux murs de briques réfractaires sur lesquels sont disposés des brûleurs. Ces tubes de reformage sont remplis de catalyseur de reformage et sont aptes à faire circuler, généralement de haut en bas, un mélange d'hydrocarbures et de vapeur d'eau de manière à récupérer en bas des tubes le gaz de synthèse. Les brûleurs utilisés génèrent des flammes parallèles à la paroi réfractaire. On utilise de préférence des brûleurs présentant une injection de combustible et de comburant radiale à partir du nez central du brûleur. Ces brûleurs présentent l'avantage de créer des flammes radiales sur une surface de réfractaire importante. Selon l'invention, plutôt que de fixer une puissance identique à tous les brûleurs, comme cela est fait dans l'art antérieur, on fixe la puissance de chaque brûleur de manière à éviter la présence de points chauds sur les tubes. Alors que certains brûleurs présentent une puissance individuelle supérieure à la puissance moyenne de tous les brûleurs, d'autres brûleurs présentent une puissance individuelle inférieure à la puissance moyenne de tous les brûleurs. La disposition des brûleurs sur les murs de réfractaires se fait généralement sous la forme d'une matrice de brûleurs : les brûleurs sont alignés verticalement sous forme de colonnes et horizontalement sous forme de lignes lesdites lignes étant distribuées sous forme de deux lignes extérieures et de lignes intermédiaires. Chaque colonne d'un mur est placée soit directement en face d'une colonne de brûleurs du mur d'en face, soit en quinconce par rapport aux colonnes du mur d'en face. On différencie les deux lignes extérieures de brûleurs comprenant les brûleurs placés aux extrémités supérieure et inférieure des colonnes des lignes intermédiaires comprenant tous les autres brûleurs. Selon le mode préféré de mise en oeuvre de l'invention : - sur une même colonne, on fixe la puissance individuelle d'une partie des brûleurs à une valeur supérieure à la puissance moyenne des brûleurs de ladite colonne, et on fixe la puissance individuelle de l'autre partie des brûleurs à une valeur inférieure à la puissance moyenne des brûleurs de ladite colonne, - sur une même ligne intermédiaire, on fixe les puissances individuelles des brûleurs de manière à obtenir l'enchaînement alternatif d'un brûleur de puissance supérieure à la puissance moyenne des brûleurs de ladite ligne puis d'un brûleur de puissance inférieure à la puissance moyenne des brûleurs de ladite ligne.  For this purpose, the invention relates to a process for steam reforming hydrocarbons in a reforming furnace comprising: - a combustion chamber having at least two vertical walls of refractory material facing each other, - at least one row of tubes of reforming vertically aligned halfway between the two vertical refractory walls facing each other, - burners disposed on each of the two vertical walls of refractory material facing each other, said burners being capable of producing radial flames parallel to the surface of the wall, and in which all the burners do not have the same power and in that one fixes the power of each burner so as to avoid the presence of hot spots on the tubes. The invention therefore relates to a reforming furnace with lateral heating. The reforming tubes are vertically aligned halfway between two walls of refractory bricks on which burners are placed. These reforming tubes are filled with reforming catalyst and are able to circulate, generally from top to bottom, a mixture of hydrocarbons and water vapor so as to recover down the tubes synthesis gas. The burners used generate flames parallel to the refractory wall. Burners with fuel and radial oxidant injection are preferably used from the central nose of the burner. These burners have the advantage of creating radial flames on a large refractory surface. According to the invention, rather than setting a power identical to all the burners, as is done in the prior art, the power of each burner is fixed so as to avoid the presence of hot spots on the tubes. While some burners have an individual power greater than the average power of all burners, other burners have an individual power lower than the average power of all burners. The arrangement of the burners on the refractory walls is generally in the form of a matrix of burners: the burners are aligned vertically in the form of columns and horizontally in the form of lines, said lines being distributed in the form of two outer lines and lines intermediate. Each column of a wall is placed either directly in front of a column of burners of the wall opposite, or in staggered relation to the columns of the wall opposite. The two external lines of burners are distinguished including the burners placed at the upper and lower ends of the columns of the intermediate lines comprising all the other burners. According to the preferred embodiment of the invention: - on the same column, the individual power of a portion of the burners is set to a value greater than the average power of the burners of said column, and the individual power is fixed. the other part of the burners to a value lower than the average power of the burners of said column, - on the same intermediate line, the individual powers of the burners are fixed so as to obtain the alternative sequence of a burner of higher power the average power of the burners of said line and a burner of power less than the average power of the burners of said line.

Selon ce mode préféré, on peut mettre en oeuvre les variantes suivantes : - sur chaque colonne, les brûleurs présentant une valeur supérieure à la puissance moyenne des brûleurs de ladite colonne peuvent être adjacents. -on peut fixer la puissance des brûleurs disposés sur chacun des deux murs verticaux en matière réfractaire se faisant face de manière à ce qu'un brûleur présentant une puissance individuelle supérieure à la puissance moyenne des brûleurs de sa propre colonne fasse face à un brûleur présentant une puissance individuelle inférieure à la puissance moyenne des brûleurs de sa propre colonne. - chacun des brûleurs des lignes extérieures peuvent présenter une puissance différente des autres brûleurs intermédiaires, notamment une puissance égale à la moitié de la puissance maximale des autres brûleurs intermédiaires. La figure 1 illustre l'invention et en particulier une mise en oeuvre du mode préféré. Elle représente un four de reformage à chauffage latéral comprenant des tubes de reformage 3 placés à mi-distance entre deux murs en réfractaire let 2. Les murs en réfractaire 1 et 2 sont couverts de brûleurs 41 et 42 disposés sous forme de colonnes et lignes. Les brûleurs 41 placés aux extrémités des colonnes sont dits extérieurs et les autres brûleurs 42 sont dits intermédiaires. Selon le mode préféré de l'invention, sur une même colonne, une partie 5 de brûleurs adjacents présente une puissance de valeur supérieure à la puissance moyenne des brûleurs de ladite colonne et l'autre partie 6 de brûleurs adjacents présentent une puissance de valeur inférieure à la puissance moyenne des brûleurs de ladite colonne. Il peut également être avantageux : - que sur une même ligne, un brûleur 7 de puissance supérieure à la puissance moyenne des brûleurs de ladite ligne soit adjacent à des brûleurs 8 de puissance inférieure à la puissance moyenne des brûleurs de ladite ligne. - qu'un brûleur 7 de faible puissance placé sur le mur 1 fasse face à un brûleur de grande puissance sur le mur réfractaire 2 opposé.  According to this preferred embodiment, the following variants may be implemented: on each column, the burners having a value greater than the average power of the burners of said column may be adjacent. it is possible to set the power of the burners arranged on each of the two vertical walls of refractory material facing each other so that a burner having an individual power greater than the average power of the burners of its own column faces a burner having an individual power lower than the average power of the burners of his own column. each of the burners of the external lines may have a power different from the other intermediate burners, in particular a power equal to half the maximum power of the other intermediate burners. Figure 1 illustrates the invention and in particular an implementation of the preferred mode. It represents a reforming furnace with lateral heating comprising reforming tubes 3 placed halfway between two refractory walls let 2. The refractory walls 1 and 2 are covered with burners 41 and 42 arranged in the form of columns and lines. The burners 41 placed at the ends of the columns are said to be external and the other burners 42 are said to be intermediate. According to the preferred embodiment of the invention, on one and the same column, one part 5 of adjacent burners has a power value greater than the average power of the burners of said column and the other part 6 of adjacent burners have a lower value of power. the average power of the burners of said column. It can also be advantageous: - on the same line, a burner 7 of power greater than the average power of the burners of said line is adjacent to burners 8 of power less than the average power of the burners of said line. - A low power burner 7 placed on the wall 1 faces a high-power burner on the refractory wall 2 opposite.

L'invention permet de répartir la surchauffe engendrée par les recirculations des gaz de combustion de manière plus homogène sur l'ensemble des tubes : on évite ainsi la surchauffe préférentielle de certains tubes et une augmentation de la capacité de production est rendue possible. L'invention peut s'appliquer à l'amélioration de fours de reformage existants : tout en conservant la puissance nominale de chauffe du four constante, la puissance de certains brûleurs est diminuée, tandis que la puissance d'autres brûleurs est augmentée.  The invention makes it possible to distribute the overheating generated by the recirculation of the combustion gases more evenly over all the tubes: this avoids the preferential superheating of certain tubes and an increase in the production capacity is made possible. The invention can be applied to the improvement of existing reforming furnaces: while maintaining the constant heating power of the furnace, the power of some burners is reduced, while the power of other burners is increased.

EXEMPLE Une simulation numérique a été réalisée pour valider l'invention. La simulation est basée sur un four de reformage d'hydrocarbures à la vapeur comprenant 60 tubes chauffés par 108 brûleurs disposés de façon symétrique et face à face de part et d'autre des tubes sur 9 colonnes verticales et 6 rangées horizontales. Dans l'exemple comparatif (cas 1), tous les brûleurs présentent la même puissance excepté les brûleurs des lignes extérieures qui présentent une puissance égale à la moitié de la puissance des autres brûleurs. Dans l'exemple selon l'invention (cas 2) : - les brûleurs 41 des lignes extérieures présentent une puissance égale à la moitié de la puissance maximale des brûleurs 42 intermédiaires, - sur chaque colonne, deux brûleurs intermédiaires adjacents 5 présentent une puissance égale à 110 % de leur puissance initiale mise en oeuvre dans le cas 1 et les deux autres brûleurs intermédiaires adjacents 6 de la colonne présentent une puissance égale à 85 % de leur puissance initiale mise en oeuvre dans le cas 1, - sur chaque ligne de brûleurs intermédiaires, un brûleur présentant une puissance égale à 110 % de sa puissance initiale est adjacent à des brûleurs présentant une puissance égale à 85 % de leur puissance initiale, - pour tous les brûleurs intermédiaires, un brûleur du premier mur réfractaire 1 présentant une puissance égale à 110 % de sa puissance initiale fait face à un brûleur du deuxième mur réfractaire 2 présentant une puissance égale à 85 % de sa puissance initiale et vice-versa.  EXAMPLE A numerical simulation was performed to validate the invention. The simulation is based on a steam hydrocarbon reforming furnace comprising 60 tubes heated by 108 burners arranged symmetrically and face to face on either side of the tubes on 9 vertical columns and 6 horizontal rows. In the comparative example (case 1), all the burners have the same power except for the burners of the external lines which have a power equal to half the power of the other burners. In the example according to the invention (case 2): the burners 41 of the outer lines have a power equal to half the maximum power of the intermediate burners 42, - on each column, two adjacent intermediate burners 5 have equal power at 110% of their initial power used in case 1 and the other two adjacent intermediate burners 6 of the column have a power equal to 85% of their initial power used in case 1, - on each line of burners intermediate, a burner having a power equal to 110% of its initial power is adjacent to burners having a power equal to 85% of their initial power, - for all the intermediate burners, a burner of the first refractory wall 1 having an equal power at 110% of its initial power is facing a burner of the second refractory wall 2 having a power equal to 85% of its initial power and vice versa.

La puissance totale des brûleurs est la même dans les cas 1 et 2. Les résultats de la simulation correspondent à l'analyse de la puissance absorbée par chaque tube dans les deux cas. La simulation numérique a été conduite sur une tranche de 7 tubes et de 24 brûleurs limités par deux plans de symétrie. Les résultats sont reportés dans le tableau 1.  The total power of the burners is the same in cases 1 and 2. The results of the simulation correspond to the analysis of the power absorbed by each tube in both cases. The numerical simulation was conducted on a slice of 7 tubes and 24 burners limited by two planes of symmetry. The results are reported in Table 1.

Tableau 1 Puissance absorbée par tube (kW) Tube Cas 1 : exemple comparatif Cas 2 : selon l'invention 1 267,3 278,3 2 281,5 283,4 3 296,7 287,9 4 300,4 288,5 5 296,8 290,5 6 282,6 289,3 7 275,4 288,7 On constate que la différence maximale de puissance absorbée par tube est réduite de 33,1 kW (cas 1 entre les tubes 1 et 4) à 12,2 kW (cas 2 entre les tubes 1 et 7), la puissance totale absorbée par l'ensemble des tubes restant quasiment identique (2000,7 kW pour le cas 1 contre 2006,6 pour le cas 2). On obtient donc dans le cas 2 une meilleure homogénéité du flux thermique sur les tubes à puissance identique.  Table 1 Absorbed power per tube (kW) Tube Case 1: Comparative example Case 2: according to the invention 1,267.3 278.3 2 281.5 283.4 3 296.7 287.9 4 300.4 288.5 5 296.8 290.5 6 282.6 289.3 7 275.4 288.7 It can be seen that the maximum difference in power absorbed per tube is reduced by 33.1 kW (case 1 between tubes 1 and 4) at 12.2 kW (case 2 between tubes 1 and 7), the total power absorbed by all the tubes remaining almost identical (2000.7 kW for case 1 against 2006.6 for case 2). In case 2, a better homogeneity of the heat flow is thus obtained on the tubes with identical power.

Claims (4)

REVENDICATIONS 1. Procédé de reformage à la vapeur d'hydrocarbures dans un four de reformage comprenant : - une chambre de combustion présentant au moins deux murs (1,  A process for steam reforming hydrocarbons in a reforming furnace comprising: - a combustion chamber having at least two walls (1, 2) verticaux en matière réfractaire se faisant face, - au moins une rangée de tubes de reformage (3) alignés verticalement à mi-distance entre les deux murs verticaux en matière réfractaire se faisant face, - des brûleurs (41, 42) disposés sur chacun des deux murs (1, 2) verticaux en matière réfractaire se faisant face, lesdits brûleurs étant aptes à produire des flammes radiales parallèles à la surface du mur (1, 2), caractérisé en ce que tous les brûleurs ne présentent pas la même puissance et en ce qu'on fixe la puissance de chaque brûleur (41, 42) de manière à éviter une accumulation de points chauds sur un même tube (3) de la rangée. 2. Procédé selon la revendication précédente, caractérisé en ce que : - les brûleurs sont alignés verticalement sous forme de colonnes et horizontalement sous forme de lignes lesdites lignes étant distribuées sous forme de deux lignes extérieures et de lignes intermédiaires, - sur une même colonne, on fixe la puissance individuelle d'une partie (5) des brûleurs à une valeur supérieure à la puissance moyenne des brûleurs de ladite colonne, et on fixe la puissance individuelle de l'autre partie (6) des brûleurs à une valeur inférieure à la puissance moyenne des brûleurs de ladite colonne, - sur une même ligne intermédiaire, on fixe les puissances individuelles des brûleurs de manière à obtenir l'enchaînement alternatif d'un brûleur (7) de puissance supérieure à la puissance moyenne des brûleurs de ladite ligne puis d'un brûleur (8) de puissance inférieure à la puissance moyenne des brûleurs de ladite ligne.  2) vertical refractory material facing each other, - at least one row of reforming tubes (3) aligned vertically halfway between the two vertical walls of refractory material facing each other, - burners (41, 42) arranged on each of two vertical walls (1, 2) of refractory material facing each other, said burners being capable of producing radial flames parallel to the surface of the wall (1, 2), characterized in that not all the burners exhibit the same power and in that one fixes the power of each burner (41, 42) so as to avoid an accumulation of hot spots on the same tube (3) of the row. 2. Method according to the preceding claim, characterized in that: - the burners are vertically aligned in the form of columns and horizontally in the form of lines, said lines being distributed in the form of two outer lines and intermediate lines, - on the same column, the individual power of a portion (5) of the burners is set at a value greater than the average power of the burners of said column, and the individual power of the other part (6) of the burners is set at a value lower than the average power of the burners of said column, - on the same intermediate line, the individual powers of the burners are fixed so as to obtain the alternating sequence of a burner (7) of power greater than the average power of the burners of said line and then a burner (8) of power less than the average power of the burners of said line. 3. Procédé selon la revendication précédente, caractérisé en ce que sur chaque colonne, les brûleurs présentant une valeur supérieure à la puissance moyenne des brûleurs de ladite colonne sont adjacents.  3. Method according to the preceding claim, characterized in that on each column, the burners having a value greater than the average power of the burners of said column are adjacent. 4. Procédé selon la revendication 2 ou 3, caractérisé en ce qu'on fixe la puissance des brûleurs disposés sur chacun des deux murs verticaux en matière réfractaire se faisant face de manière à ce qu'un brûleur (5) présentant une puissance individuelle supérieure à la puissance moyenne des brûleurs de sa propre colonne fasse face à un brûleur (6)présentant une puissance individuelle inférieure à la puissance moyenne des brûleurs de sa propre colonne.  4. Method according to claim 2 or 3, characterized in that fixes the power of the burners disposed on each of the two vertical walls of refractory material facing each other so that a burner (5) having a higher individual power the average power of the burners of its own column faces a burner (6) having an individual power lower than the average power of the burners of its own column.
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